北京大學工學院郭少軍團隊在燃料電池高性能低鉑電催化劑研究方面取得重要進展。該工作首先合成含有高指數面的Pt₃Fe多級納米線，再通過煅燒得到含有兩個原子層厚的Pt-skin結構，并評估了該材料在酸性介質中的氧還原和醇氧化催化性能，最后基于DFT理論計算結果證明含有高指數面的Pt-skin 表面對反應中間體的吸附能優化，有利于電催化反應的進行。該工作首次將Pt-skin 和高指數面結合，在催化劑活性和穩定性方面有了很大提升，為高性能電催化材料的設計和開發指出了新方向。合作成果以“研究通訊”的形式發表在最新一期國際權威學術期刊《先進材料》（Advanced Materials）上（doi: 10.1002/adma.201705515），全文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201705515。

圖1. Pt-skin Pt₃Fe/C 鋸齒狀納米線精細結構表征圖

圖2. 電催化性能評價及DFT計算的氧結合能

質子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs）有利于解決目前全球性的能源短缺，環境污染及氣候變化等問題，被認為是替代傳統內燃機的理想動力供應設備。然而，PEMFCs的商業化應用受限于其較高的Pt負載量用于催化電極反應的進行，尤其是陰極動力學緩慢的氧還原反應（Oxygen reduction reaction, ORR）。因此，設計及合成低Pt用量高催化活性的電催化劑至關重要。提高ORR活性的一個有效策略是將過渡金屬（M）與貴金屬Pt 合金，通過配體和應力效應來調控其近表面組份。研究表明，具有三明治結構的Pt-skin對ORR的催化性能卓越；同時，Pt的高指數晶面也較其它低指數晶面有更高的催化活性。若能結合以上兩種結構特征，勢必會進一步促進電催化反應的進行。然而，如何實現該結構的合成仍是一個巨大挑戰。為解決這一問題，北京大學工學院郭少軍團隊設計開發了一種新型合成路線，得到了具有Pt-skin結構和高指數晶面的一維納米線結構。物理表征結果證實，所得鋸齒狀一維Pt3Fe納米線表面形成了約兩個原子層厚的Pt-skin結構。電化學實驗表明，該催化劑的比質量和面積活性分別達到了4.34 mA cm^?2 和2.11 A mg^?1，比商業Pt/C分別高出16.7 和13.2倍，且具有極為卓越的電化學穩定性。進一步計算研究發現，這種獨特結構所表現的配位和應力效應能夠優化氧吸附能，從而大大提高催化活性。該工作將對電催化理論研究和新型高效燃料電池電催化劑的開發具有指導意義，也為下一代高性能低成本電催化劑的結構設計提供了新思路。

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